Un enzima rivoluzionario in grado di degradare la lignina

Le biomasse lignocellulosiche rappresentano una delle risorse più diffuse e promettenti del nostro pianeta per la produzione di energia e sostanze a valore aggiunto variabile come alternative alle risorse fossili.

Tuttavia, la complessa struttura chimica di questa tipologia di biomasse richiede la messa a punto di tecnologie e processi ad hoc per idrolizzare dapprima le tre componenti principali, quali cellulosa, emicellulosa e lignina, e procedere successivamente con la loro valorizzazione mediante processi chimici, fisici e/o biotecnologici.

Un gruppo di ricerca del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti, ha scoperto e caratterizzato una nuova famiglia di enzimi del citocromo P450, fondamentale per migliorare la conversione della lignina, uno dei componenti principali delle piante, in prodotti a più alto valore come nylon, plastica e prodotti chimici.

I citocromi P450 sono tra gli enzimi più versatili del pianeta. Queste proteine si trovano nel corpo umano e sono coinvolte in molte vie metaboliche, compreso il metabolismo di composti potenzialmente tossici. I citocromi P450 sono stati studiati per decenni e sono stati classificati nelle famiglie da A a M.

Pubblicato sulla rivista Nature Communications, l’articolo dal titolo “A promiscuous cytochrome P450 aromatic O-demethylase for lignin bioconversion” descrive la struttura molecolare di un citocromo P450 mai caratterizzato prima (Fig 1) che si è rivelato avere un’architettura a due componenti completamente diversa, che rappresenta una nuova classe di P450: la famiglia N.

Figura 2 – Rappresentazione 3D della struttura cristallina del citocromo P450 contenente substrati e prodotti.

In generale, l’apprendimento della struttura e della funzione degli enzimi aiuta i ricercatori anche a migliorare i microorganismi mediante approcci di ingegneria genetica e/o metabolica e quindi a migliorare processi come la conversione biologica della lignina dalla biomassa vegetale in prodotti di valore. E i P450 sono un ottimo punto di partenza.

La scoperta di questa nuova classe del citocromo P450 è avvenuta quando il dottor Christopher Johnson, un biologo molecolare del National Bioenergy Centre del NREL e coautore dello studio, ha iniziato degli studi per trovare un enzima che potesse convertire il guaiacolo in catecolo. Il guaiacolo rappresenta uno dei più semplici elementi costitutivi della lignina e il catecolo può essere scomposto in muconato, una sostanza chimica importante per la produzione di diversi tipi di bioplastiche. Johnson ha trovato un citocromo P450 che converte il guaiacolo in catecolo in un unico passaggio. Per farlo funzionare meglio, il team aveva bisogno di capire come funziona l’enzima, cosa che ha portato gli sforzi del team a stabilire la sua struttura molecolare, e quindi la scoperta di questa nuova famiglia P450.

I ricercatori hanno studiato il modo in cui l’enzima interagisce con i suoi prodotti e substrati e si sono resi subito conto che questo citocromo P450 è più di uno specialista del guaiacolo; è un generalista che può eseguire la demetilazione su una grande varietà di sostanze (Fig. 2).

Figura 2 – Rappresentazione schematica del meccanismo di demetilazione nel catabolismo aromatico operato dal citocromo P450 della famiglia N.

Questo importate studio, oltre ad aver permesso la scoperta di una nuova classe di enzimi, apre la strada a tutta una serie di nuove applicazioni e processi di interesse industriale in un’ottima di economia circolare e sviluppo sostenibile.

L’obiettivo è quello di produrre energia e prodotti in maniera pulita e sostenibile.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

Sam J. B. Mallinson, Melodie M. Machovina, Rodrigo L. Silveira, Marc Garcia-Borràs, Nathan Gallup, Christopher W. Johnson, Mark D. Allen, Munir S. Skaf, Michael F. Crowley, Ellen L. Neidle, Kendall N. Houk, Gregg T. Beckham, Jennifer L. DuBois & John E. McGeehan. A promiscuous cytochrome P450 aromatic O-demethylase for lignin bioconversion. Nature Communications, volume 9, article number: 2487, 2018.

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